第第9 9章章 其他传感器其他传感器9.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器9.1.1 9.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16- 之间，能为人所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2 Hz的机械波，称为超声波，如图9.1所示。频率在 - Hz之间的波，称为微波。波长在1mm-1um的：太赫兹，以上可见光与射线图图9.1 9.1 声波的频率界限图声波的频率界限图f f/Hz/Hz9.1.1 9.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质1. 1. 波形波形通常有三种形式：纵波是质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播；横波是质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播；表面波是质点振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波为表面波，工业应用中主要采用纵波。2. 2. 传播速度传播速度超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。在常温下，空气中的声速为344 ms、水中声速为1497 ms，在钢材中声速为5000 ms左右。9.1.1 9.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质3. 3. 反射及折射反射及折射 超声波在两种介质中传播时，在它们的界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。4. 4. 超声波的衰减超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为（92） （93） 式中： 、 距声源x处的声压和声强；x为声波与声源间的距离； 衰减系数，单位为 （奈培/厘米）5. 5. 声阻抗声阻抗 介质有一定的声阻抗，声阻抗等于该介质密度与超声速度的乘积。通过测量超声波的辐射阻抗率，可测定媒介的密度、弹性模量、液体的粘度、液体的密度等。9.1.2 9.1.2 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器：产生超声波和接收超声波的装置，又称为超声换能器、超声探头。分类：分类： 按其结构可分为：直探头、斜探头、双探头和液浸探头。 按其原理又可分为：压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。 压电式探头主要由压电晶体、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成，其结构如图9.2所示。压电晶体多为圆形板，其厚度d与超声波频率 成反比图9.2 压电式超声波探头示意图9.1.3 9.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用1.1.超声波测量厚度超声波测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法、共振法、干涉法等几种。应用较为广泛的是脉冲回波法。 其原理框图如图9.3所示。超声波探头与被测物体表面接触；主控制器控制发射电路发射一定频率的重复脉冲信号，激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后反射回来，并由同一探头接收。接收到的脉冲信号经放大后进入主控器的处理部分测量发射波与接收波的时间间隔，试件厚度：图9.3 脉冲回波法测厚原理图因为发射探头与接收探头共用一个，在测量时存在盲区问题因为发射探头与接收探头共用一个，在测量时存在盲区问题。9.1.3 9.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用2. 2. 超声波测物位超声波测物位图9.4 脉冲回波式测量物位的工作原理超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器完成。图9.4给出了几种超声物位传感器的原理示意图。9.1.3 9.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用3. 3. 超声波流量传感器超声波流量传感器图9.5 超声波流量传感器原理图 超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。 如果在管道的外部安装两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，如图9.5所示。如设顺流方向的传播时间为 ，逆流方向的传播时间为 ，流体静止时的超声波传播速度为 ，流体流动速度为 ，则：由于c远大于v，所以：（96） （97） （99） 9.2 9.2 微波式传感器微波式传感器9.2.1 9.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波是波长为1 mml m的电磁波，它具有电磁波的性质又不同于普通无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：定向辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力较差；传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。这些特点构成了微波检测的基础。9.2.2 9.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高(300 M300 GHz)，要求振荡回路具有非常微小的电感与电容，故不能用普通电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调整管、磁控管或某些固体元件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10 cm以上可用同轴线)传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线具有特殊的结构。常用的有喇叭型天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。 图9.6 常用微波天线9.2.3 9.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用1. 1. 微波传感器微波传感器 由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线，接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。 微波传感器可分为反射式与遮断式。(1)(1)反射式传感器反射式传感器 这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来表示被测物的位置、厚度等参数。(2)(2)遮断式传感器遮断式传感器 这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。9.2.3 9.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用2. 2. 微波传感器的应用微波传感器的应用(1)(1)微波液位计微波液位计图9.7 微波液位计接收天线接收到的功率（910） 式中 两天线与被测液面间的垂直距离； 发射天线发射的功率； 发射天线的增益： 接收天线的增益。 当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收到的功率 ,就可获得被测液面的高度 。 9.2.3 9.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用2. 2. 微波传感器的应用微波传感器的应用(2)(2)微波测定移动物体的速度和距离微波测定移动物体的速度和距离 微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为 的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率 发生偏移，如下式所示：(911) 式中 是多卜勒频率，并可表示为:(912) 当物体靠近靶时，多卜勒频率 为正；远离靶时， 为负。输入接收机的反射波的电压 可用下式表示：(913) 9.2.3 9.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用2. 2. 微波传感器的应用微波传感器的应用(2)(2)微波测定移动物体的速度和距离（续）微波测定移动物体的速度和距离（续）当物体靠近靶时，多卜勒频率 为正；远离靶时， 为负。输入接收机的反射波的电压 可用下式表示：(913) 用接收机将来自发射机的参照信号 与上述反射信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两频率之差，即 的差拍频率的多卜勒输出信号为： (914) 因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。 但是，用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波 和 ，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为 ，则可利用下式求出距离 ：(915) 除上述的应用外，微波传感器还有其他应用，如：微波测厚仪、微波湿度传感器、微波辐射计(温度传感器)、微波无损检测等。9.3 9.3 核辐射与红外传感器核辐射与红外传感器 核辐射式传感器是根据被测物质对核辐射的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质的电离激发作用而进行工作的。9.3.1 9.3.1 核辐射式传感器核辐射式传感器1. 1. 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础（1 1）核辐射）核辐射 放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子束或射线，这种现象称为“核辐射”。其放出的粒子束或射线有以下几种： 粒子：其质量为4.002775个相对原子质量并带有2个正电荷。 粒子：它实际上是高速运动的电子，其质量为0.000549个相对原子质量，放射速度接近光速。 射线：它是一种电磁辐射。 射线的波长较( )，不带电。 射线的穿透力很强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米， 射线广泛应用于金属探伤、大厚度测量等。 放射性的强弱称为放射强度(或核辐射强度)，它通常以单位时间内发生衰变的次数表示。放射性强度也是随时间按指数规律而减少（2 2）核辐射与物质问的相互作用）核辐射与物质问的相互作用 核辐射与物质问的相互作用主要是电离、吸收和反射。 三种射线中， 射线穿透力最强， 射线次之， 射线最弱， 射线的穿透厚度比 、 要大得多。9.3.1 9.3.1 核辐射式传感器核辐射式传感器2. 2. 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 核辐射传感器主要由辐射源和探测器组成。（1 1）辐射源）辐射源 尽管放射性同位素种类很多，但能用于测量的只右20种寿右最常用的有 等 图9.8 辐射源容器 辐射源的结构应使射线从测量方向射出，而其他方向则必须使辐射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害.（2 2）探测器）探测器 探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。图9.9 电离室工作原理电离室：图9.9为电离室工作原理图，它是在空气中设置一个平行板电容器，对其加上电压，使两极板间形成电场。当有粒子或射线射向两极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外加电阻R上形成压降。测量此压降值即可获得核辐射的强度。电离室主要用于探测 粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流很小。探测 粒子和 射线的电离室互不通用。9.3.1 9.3.1 核辐射式传感器核辐射式传感器2. 2. 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成（2 2）探测器（续）探测器（续）图9.10 气体放电计数管示意图 核辐射进计数管后，管内气体产生电离。当负离子在电场作用下加速向阳极运动时，由于碰撞气体分子产生次级电子，发生“雪崩”现象，使阳极放电、产生电流。图9.11 闪烁计数器示意图 闪烁计数器闪烁计数器：图9.11为闪烁计数器示意图。它由闪烁体和光电倍增管组成。当核辐射进入闪烁体时，使闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的光敏阴极上打出光电子并在倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪器记录下来。 9.3.2 红外传感器1. 红外辐射的基本知识 红外辐射就是红外光，其波长从ll 000 m。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射的红外线越多，红外辐射的能量就越强。 红外辐射在大气中传播时，由于大气中气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原子分子不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。红外辐射通过大气层时被分割成三个波段，即22.6 m、35 m、814 m，统称“大气窗口”。一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。 红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称黑体；能全部反射的物体称镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体 9.3.2 9.3.2 红外传感器红外传感器2. 2. 红外探测器红外探测器 按工作原理可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。 （1 1）热探测器）热探测器 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。因此只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红外辐射能大小，从而得到被测非电量值。 热电探测器主要有热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型。 （2 2）光子探测器）光子探测器 光子探测器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过对电学性质变化的测量，可以了解红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外探测器，统称光子探测器。其主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但它一般需在低温下工作，探测波段较窄。 按照光子探测器的工作原理，一般可分为内光电探测器和外光电探测器两种，前者又分为光电导探测器、光电伏特器和光磁电探测器三种。9.3.3 9.3.3 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例 核辐射传感器有多种用途，如测量检测气体和液体在管道中的流量、利用物质对射线的吸收程度与物质厚度有关的原理在线测厚、测量物位、成份分析等；利用红外传感器可以用于非接触式的红外测温、气体分析、无损探伤等。1. 1. 辐射式物位计辐射式物位计 可以应用 射线检测物位。测量物位的方法有很多，图9.12给出了其中一些典型的应用实例。 图9.12(a)是定点测量的方法。这种方法不能进行物位的连续测量。图9.12 辐射式物位计的测量原理图 图9.12(b)是将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300500mm)，测量准确度较低。 为了克服图9.12(b)存在的上述缺点，可采用线状的射线源，如图9.12(c)；或采用线状的探测器，如图9.12(d)。虽然对射线源或探测器的要求提高了，但这两种方法既可以适应宽量程的需要，又可以改善线性特性。9.3.3 9.3.3 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例2 2红外气体分析仪红外气体分析仪 红外气体分析仪是根据物质的吸收特性来进行工作的。例如 ，它对红外光的透射光谱如图9.13所示， 对波长为2.7 m、4.33 m和14.5 m红外光能强烈吸收，而且吸收谱线相当宽。据实验分析，只有4.33 m吸收带不受大气中其他成分影响。因此可以利用这个吸收带来判别大气中 成分。图9.13 CO2气体投射光谱图9.3.3 9.3.3 核辐射与红外传感器应用举例核辐射与红外传感器应用举例2 2红外气体分析仪（续）红外气体分析仪（续） 图9.14是 红外气体分析仪示意图。它由气体(含 )的样品室、参比室(无 )、电机式调制、反射镜系统、滤光片、红外检测器和选频放大器组成。图9.14 CO2红外气体分析仪示意图 测量时，使待测气体连续流过样品室，参比室里充满没有 的气体或含有一定量的 的气体。红外光源发射的红外光分成两束经反射镜反射到样品室和参比室。再经反射镜系统，将红外光经中心波长为4.33 m的滤色片投射到红外敏感元件上，敏感元件交替地接受通过样品室和参比室的辐射。 若样品室和参比室均无 气体，只要两束辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射，交流选频放大器输出为零。 若进入样品室的气体中含有 气体，对4.33 m的辐射就有吸收，那么两种辐射的通量不等，则敏感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为零。经过标定后，就可从输出信号的大小来推测 的含量。9.4 9.4 热电式传感器热电式传感器9.4.1 9.4.1 热电偶传感器热电偶传感器 热电偶传感器简称热电偶，是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器。其测温范围较宽，一般为-501600，最高的可达到3000，并有较高的测量精度。另外，它具有结构简单、制造方便、热惯性小、输出信号便于远传等优点。其产品已标准化、系列化，运用十分方便。 1. 1. 基本原理基本原理 如图9.15所示，两种不同导体(或半导体)组成的闭合回路称为热电偶，导体A和B叫做热电极。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称为测量端。温度为参考温度 的另一结点称为参比端。图9.15 热电效应原理图 热电效应热电效应：将两种不同的导体(或半导体)A、B组合成闭合回路，如图9.16所示。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应或塞贝克效应。热电偶就是根据此原理设计制作的，将温差转换为电势量的热电式传感器。热电效应产生的热电势是由接触电势和温差电势两部分组成的。图9.16 热电势9.4.1 9.4.1 热电偶传感器热电偶传感器2. 2. 热电偶冷端补偿方法热电偶冷端补偿方法 由热电偶的工作原理可知，当使用热电偶测温时，冷端温度必须恒定。我国在制分度表时通常是采用T=0时的条件。在实际使用中若冷端不能保持在0或冷端温度随环境变化，将引入测量误差。这就必须对热电偶的冷端(参比端)进行温度补偿。 （1）热电偶冷端补偿方法。常见热电偶的冷端(参比端)温度补偿方法有下列几种。 冰浴法冰浴法 在实验条件下，把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，可使冷端 保持在0。现在已研制出一种能使温度恒定在0的半导体制冷器件。 计算修正法计算修正法 当热电偶冷端温度 0时，可用下面公式对热电势进行修正。 (917) 式中 测量端温度为T，冷端温度0时经修正后的热电势； 测量端温度为T，冷端温度 ( 0)时实际测量得到的热电势； 测量端温度为 时的热电势，冷端温度为0时的热电势，它即为冷端温度不为0时的热电势修正值。 例例10.110.1 利用PtRhPt热电偶(S型)测温时，设测量得到 =20， =7.322 mV，求T。 解解: : 查PtRhPt热电偶S分度表，可得 =0.113 mV，根据式(10.7)有 = + =7.322 mV+0.113 mV=7.435 mV ，反查分度表，可得 T=808.3。 仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法 现场测量中，如不需要很精确，或热电偶冷端温度较为稳定，则可将显示仪表的机械零点预先调整到 (按温度刻度的)，或者 (按毫伏刻度的)。补偿电桥法补偿电桥法 该方法利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势变化。 图9.19 补偿电桥法9.4.1 9.4.1 热电偶传感器热电偶传感器3. 3. 热电偶测温电路热电偶测温电路图9.20 工业用热电偶测温电路（1 1）工业用热电偶测温电路）工业用热电偶测温电路一般与动圈表或电子电位差计配套使用，测温电路如图9.20(a)、(b)所示。(a)为与动圈表配套使用的电路，热电偶冷端温度补偿用的是补偿电桥法，(b)为与自动电子电位差计配套使用的电路。图中 为热电偶冷端处的温度。（2 2）实验室用热电偶测温电路）实验室用热电偶测温电路在科学研究、计量检定等场合，热电偶冷端补偿采用冰浴法，并与电位差计配套使用。通常的做法是用冰点槽将冷端恒定在0，然后用UJ系列电位差计测量热电势。（3 3）利用热电偶测量平均温度时的连接电路）利用热电偶测量平均温度时的连接电路图9.21 热电偶测量平均温度并联电路9.4.2 9.4.2 热电阻传感器热电阻传感器 利用电阻随温度的变化而变化的物理现象制成的热电式传感器称为热电阻传感器。1. 1. 热电阻的工作原理及材料结构热电阻的工作原理及材料结构（1 1）热电阻工作原理）热电阻工作原理热电阻就是利用物质(一般为纯金属)的电阻随温度变化并呈一定函数关系的特性，制成温度传感器来进行测温的。一般结构如图9.22所示。（2 2）常用热电阻材料）常用热电阻材料对热电阻材料的要求。作为测量温度的热电阻材料，必须具有以下特点：较大的电阻率及较高的电阻温度系数，以便有较高的灵敏度和测量精度；在使用范围内，物理、化学性能稳定；电阻与温度关系特性好，一是电阻与温度的函数呈单值函数(最好是呈线性关系)，二是对同一种材料来讲，其复制性要好，以便批量生产。 图9.22 热电阻结构示意图 常用热电阻材料。应用广泛的是Pt与Cu。这两种材料制成的热电阻属于标准化热电阻，即有国家统一的标准分度表。9.4.2 9.4.2 热电阻传感器热电阻传感器1. 1. 热电阻的工作原理及材料结构（续）热电阻的工作原理及材料结构（续） Pt热电阻。 Pt电阻的电阻值和温度关系在1900时，为(923) 在0630.74时，为(924) 式中 , 分别为0、T时的电阻 ;A，B，C分度系数，其中 (1) (1) (1) 9.4.2 9.4.2 热电阻传感器热电阻传感器1. 1. 热电阻的工作原理及材料结构（续）热电阻的工作原理及材料结构（续）Cu热电阻。Cu价格低廉，容易提纯，在50150的温度范围内，化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，但其测量精度不如Pt热电阻高，测量范围也比Pt热电阻小。在的温度范围内，Cu电阻的阻值和温度的关系可用下式表示(925) 式中，A、B、C为常数， (1)； (1) ； (1) 。由于Cu热电阻在0100之间基本上是线性的，故在此温度范围内也可用下式表示阻值和温度的关系(926) 式中 (1)。 Cu热电阻的标称值有 及 两种例例10.210.2 一支分度号为Cu100的热电阻 ，在130时它的电阻是多少?要求精确计算和估算。估算时取 。解解 精确计算应根据Cu电阻的阻值和温度的关系，计算如下 若近似计算可根据 9.4.2 9.4.2 热电阻传感器热电阻传感器2. 2. 热电阻的结构及测量电路热电阻的结构及测量电路（1 1）热电阻的结构）热电阻的结构热电阻的结构形式有如下几种。 普通型热电阻普通型热电阻 工业上使用最为广泛的热电阻是普通型热电阻，其外形结构与普通型热电偶的外形结构基本相同(图9.17)。 铠装热电阻铠装热电阻 与普通型热电阻相比，它具有以下优点：热惯性小，响应速度快，耐振、抗冲击，坚固性好，寿命长。 薄膜热电阻薄膜热电阻 这类热电阻的最大优点是响应速度非常快。（2 2）热电阻的测量电路）热电阻的测量电路 在实际温度测量中，由于热电阻的阻值都是在几欧到几十欧范围内，因此，热电阻的引线及连接导线的电阻对温度测量结果有很大影响，特别是热电阻的引线常处于被测温度的环境中，温度波动较大，其阻值随温度的变化难以估计和修正。例如：引线为直径2毫米，长20米时的铜线时，计算得引线的电阻为0.796,而铂电阻每变化1时的电阻变化约为0.398左右，所以引线带来了误差很大。为减少导线电阻的影响，工业用热电阻的引线有两线制、三线制和四线制。下面介绍四线制接线法的测量电路。图9.23 热电阻测温的电路9.4.3 9.4.3 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻由半导体材料制成，是利用半导体的热电阻阻值与温度呈现一定函数关系的原理制成温度传感器。1. 1. 热敏电阻的特点热敏电阻的特点 与热电阻相比，热敏电阻具有如下优点：电阻温度系数大(约为热电阻的10倍)，灵敏度高；结构简单，体积小，热惯性小，可以用来测定点温度及变化温度；使用寿命长；利用半导体掺杂技术，可以测量42100 K之间的温度，是一种重要的低温传感器。其不足之处是互换性差，离散性严重。2. 2. 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度热敏电阻。负温度系数热敏电阻应用较为普遍，这类热敏电阻大部分都是用Mn、Co、Ni、Fe的金属氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工艺制备而成。按使用温度大致分为低温(60，300)、中温(300600)及高温(2600)三种类型，具有灵敏度高、热惯性小、寿命长、价格便宜等优点，深受使用者欢迎。负温度系数热敏电阻的电阻与温度的关系可由下式求得：设 、 为温度T及 时的电阻值，则 或 。从表达式可以看出，负温度系数热敏电阻的电阻与温度的关系呈严重的非线性关系。 9.4.4 PN9.4.4 PN结型温度传感器结型温度传感器 通常利用晶体管PN结的正向压降与温度呈现很好的线性关系这一特性，将半导体器件用作温度传感器。与热电偶、热电阻传感器相比，它的输出特性线性好并具有很高的测量精度，在很多领域中得到广泛应用。它的不足之处是测温范围较窄(一55150)，因而测量领域受到一定的限制。PN结温度传感器分为温敏二极管、温敏三极管、集成温度传感器三类。1. 1. 温敏二极管温敏二极管（1 1）工作原理）工作原理 根据PN结理论，对于理想二极管而言，当正向压降 大于几个KTe时，其与温度T之间满足关系式(927) 图9.24 WM型温敏二极管的UF-T特性（2 2）基本特性）基本特性 对温敏二极管来说，基本特性主要指的是正向电压 与温度T之间的关系特性。对于不同的工作电流， 关系是不同的，但是 之间总保持线性关系。图9.24所示为WM型温敏二极管在正向电流， 时的关系曲线。从图中可以看出，在一50150范围内， 呈很好的线性关系。 9.4.4 PN9.4.4 PN结型温度传感器结型温度传感器2 2温敏三极管温敏三极管（1 1）工作原理）工作原理 若使三极管中的发射结处于正向偏置，并使集电极电流 恒定，则三极管基极与发射极之间的电压 和温度T的关系可表示为(928) 图9.25 温敏三极管输出特性式中， 为与结面积、载流子迁移率、集电极电流及工艺参数有关的常数。从上式可以看出，三极管基极与发射极之间的电压 和温度T之间呈线性关系。在集电极电流 恒定的情况下， 随T的升高而降低，故呈现负温度系数。（2 2）基本特性）基本特性 温敏三极管的基本特性主要是指输出特性，即不同 情况下，温敏三极管的电压 和温度T之间的关系特性。温敏三极管的输出特性如图9.25所示。9.4.4 PN9.4.4 PN结型温度传感器结型温度传感器3 3集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上制成的。这种传感器自从20世纪80年代进入市场以来，由于其有线性度好、灵敏度高、体积小、使用简便等优点，得到了广泛应用。 集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两种。其中，电压型的灵敏度一般为l0 mV，电流型的灵敏度为1 K。图9.27 AD590应用电路单点调整补偿法图9.26 AD590电流型集成温度传感器特性曲线图9.26 AD590电流型集成温度传感器特性曲线集成温度传感器AD590。 AD590是一种电流输出型的集成温度传感器，测温范围为一50150。当对其施加+4+30v激励电压时，其输出电流是恒定的。其电流灵敏度为1 /K。若在测量电路中串入l k 高值输出电阻，则其电压灵敏度可达lmVK。在外接电阻中串接一个可变电阻，在25时调整可变电阻，使输出电压为298.2 mV即可进行单点调整补偿，应用十分方便。如图9.27所示。图9.28 双点调整补偿法 AD590有(I、J、K、L、M)几挡，其温度校正误差大小不同 9.4.5 9.4.5 单线智能温度传感器单线智能温度传感器 上述温度传感器为模拟传感器，其输出的电信号为模拟信号。目前微处理器（单片机、微控制器等）在测控系统中应用很普遍，但它们所识别的信号为数字信号，当它们与模拟温度传感器接口时，经常采用的接口电路如图9.29所示。图9.29 温度接口电路 在上图中，温度传感器的信号输出至调理电路，调理电路一般完成信号的放大、去零点等功能；调理电路输出的信号送至AD转换器，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，通过总线与微处理器（单片机、微控制器等）接口；总线分为并行总线（信号线多，每次可传输多位数据，速度快）和串行总线（信号线少，每次只传输一位数据，速度慢，接口电路简洁）。 DSl8B20是美国DALLAS半导体公司继DSl820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器，它将温度传感器、调理电路、AD转换器等部件集成于一体，和微处理器（单片机、微控制器等）接口采用单线总线接口（串行总线的一种），功能强、使用方便，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中，例如多路温度测控仪、中央空调、大型冷库、恒温装置等。9.4.5 9.4.5 单线智能温度传感器单线智能温度传感器1. 1. 单线总线简介单线总线简介 如图9.30所示，单线总线（1Wire Bus）采用单根信号线进行信息的双向总线,总线系统中一般有一个主机节点和多个从机(每个从机有自己的地址)节点组成,各个节点通过3根相连线，这3根线分别为：Vcc（电源）、GND（公共端）、S（信号线）。数据传送时,只有一个节点占用总线而其他节点处于释放状态。主节点可以对总线复位并向其他节点发出命令,其他节点接收到命令后作出对应的回答。数据传送是以位的单位进行的,每一位包含3个部分:起始标志(一定宽度的低电平)、数据/地址位、停止位,一帧数据可以传送多位。图9.30 单线总线插图9.4.5 9.4.5 单线智能温度传感器单线智能温度传感器2. DS18B202. DS18B20的性能特点的性能特点 DS18B20是DSl820的改进型，主要有以下特点： (1)采用DALLAS公司独特的“单线(1-Wire)总线”技术，通过串行通信接口(IO)直接输出被测温度值(9位二进制数据，含符号位)，适配各种单片机或系统机。 (2)测温范围是一55+125，在一10+85范围内，可确保测量误差不超过0.5。 (3)温度分辨力可编程。而DSl8B20的数字温度输出可进行912位的编程。 (4)内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，产品序号占48位。出厂前就作为DSl8B20惟一的产品序号，存人其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DSl8B20。 (5)用户可分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器RAM中。利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别出发生了温度越限报警的器件。 (6)内含寄生电源。该器件既可由单线总线供电，亦可选用外部+3.3+5V电源(允许电压范围是+3.0+5.5V)，进行温度数字转换时的工作电流约为lmA，待机电流仅为0.75uA，典型功耗为+3.3+5mW。 (7)具有电源反接保护电路。当电源电压的极性接反时，能保护DSl8B20不会因发热而烧毁，但此时芯片无法正常工作。9.4.5 单线智能温度传感器单线智能温度传感器3. DSl8B20的应用的应用图9.31 DS18B20的引脚排列图图9.32 9.32 多片多片DS18B20DS18B20与与80C3180C31的接线的接线 9.4.6 9.4.6 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例热电式传感器在实际中有很多应用，这里仅举几例。1. 1. 测温热电偶测温热电偶图9.33 冷端温度补偿电路原理图 在锅炉节能控制系统中，需对炉膛、蒸气、水等的温度进行测定。可选用热电偶，并利用AD590对热电偶进行冷端温度补偿，在使用中，只需将热电偶的冷端与集成温度传感器AD590置于同一环境中，不论环境温度如何改变，均可在电路的输出端得到正比于热电偶工作端温度的电压值。图9.33是这种冷端温度补偿电路的原理图，图中 ，三个集成运放构成数据放大器，以放大热电偶的热电势E；运放A5是一同相比例运算电路，它把AD590正比于环境温度的电流转变为电压信号 ；运放A4是一反相输入求和电路，该电路对 、 求和，抵消随环境温度变化的成分，使输出电压K正比于热电偶工作端的温度。9.4.6 9.4.6 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例图9.34 元素分析仪气体成分分析室示意图2. 2. 气体成分分析气体成分分析 图9.34为元素分析仪气体成分分析室示意图。它主要由四个外壳用相同材料制成的分析室组成。分析室 和 为参考室，室内充入洁净的空气，另外两个分析室 和 内充入被分析的混合气体，四个分析室组成桥路。工作时先将惰性气体通入分析室，使电桥达到平衡，而后使被测混合气体进入分析室，电桥失去平衡，其不平衡输出是混合气体成分的函数。 气体的导热系数与气体成分的体积浓度有关，对于相互不发生化学反应的混合气体，其导热系数为各气体导热系数的平均值。设氢气的导热系数为 、气体的百分数含量为 ，氮气的导热系数为 ，两种混合气体的导热系数为 ，则得下式 (929) 氢气和氮气的导热系数已知，只要测出 就可获得氢气的百分数含量 ，进而获得氮气的的百分数含量l 。图9.35 过热保护继电器9.4.6 9.4.6 热电式传感器应用举例热电式传感器应用举例3.3.热敏电阻式过热保护继电器热敏电阻式过热保护继电器 图9.35是一种应用热敏电阻组成的电机过热保护线路。三只特性相同的RRC6型负温度系数热敏电阻 (阻值20时为10 k；100时为1 k；110时为0.6 k)串联在一起，固定在电机三线绕组附近。当电机正常运转时，温度较低，热敏电阻阻值较高，三极管不导通，继电器J不吸合。当电机过载或其中一相与地短路时，电机绕组温度剧增，热敏电阻阻值相应减少，三极管导通，继电器J吸合，电极电路被断开，起到过热保护作用。 4. AD5904. AD590温度传感器在远距离检测中的应用温度传感器在远距离检测中的应用图9.36 AD590温度传感器远距离测温示意图AD590的典型应用是用作远距离温度检测。图9.36所示电路可测量距离300 m内某点的温度，由于使用了屏蔽的绞合电缆及在电缆两端串、并联了电阻(R=1 k)和电容(C=0.33 )。9.7 9.7 小结小结 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。低于16 Hz的机械波，称为次声波；其频率在16- 之间，能为人所闻的机械波，称为声波；高于2 Hz的机械波，称为超声波；频率在 - Hz（波长为1 mm-1 m之间）的波，称为微波；红外线的波长为1-1 000 m之间。 超声波碰到杂质或分界面会产生反射、折射和波形转换等现象。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，能应用在测距、测厚、测流量、无损探伤等场合。 由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被、移动物体的速度和距离测量、湿度测量、无损检测等。 红外辐射的物理本质是热辐射，红外辐射在大气吸收或反射，使功率发生变化，依据微波的特点构成的微波传感器。可用于物位测量、测厚中传播时，由于大气中气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。红外辐射通过大气层时被分割成三个 “大气窗口”。利用红外传感器可进行非接触式的红外测温、气体分析、无损探伤等。 核辐射式传感器是根据被测物质对核辐射的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质的电离激发作用而进行工作的。核辐射传感器有多种用途，如测量检测气体和液体在管道中的流量、利用物质对射线的吸收程度与物质厚度有关的原理在线测厚、测量物位、成份分析等。 热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器。这里主要介绍了热电偶、热电阻、热敏电阻、PN结传感器、集成温度传感器、智能温度传感器等，其应用条件、信号形式等各有特点，应用时是具体情况而定。 生物传感器在医学、环境监测、食品工业等得到了广泛的应用。本章还讨论了新型的传感器（智能传感器、模糊传感器、网络传感器、虚拟传感器）等内容，该部分作为理解内容。9.8 9.8 习题和思考题习题和思考题 1. 超声波在介质中传播具有哪些特性? 2. 超声波传感器的吸收块作用是什么? 3. 超声波物位测量有几种方式?各有什么特点? 4. 简述超声波测量流量的工作原理，并推导出数学表达式。 5. 已知超声波传感器垂直安装在被测介质底部，超声波在被测介质中的传播速度为1460 ms，测得时间间隔为28 ，试求物位高度。 6. 什么是微波?其波长范围是多少? 7. 微波传感器可分为哪两种?其检测原理是什么? 8. 试举出几个其他超声波、微波的应用例子(书上的除外)。 9. 查找资料，举出3个利用核辐射传感器进行物位测量的实际应用的例子。 10. 试设计一个红外控制的电扇开关自动控制电路。并叙述其工作原理。 11. 解释下列有关热电偶的名词：热电效应、热电势、接触电势、温差电势、热电极、测量端、参比端、分度表。 12. 试拟定一个自动测量某温度场的方案，绘出其方框图和线路图。 13. 热电偶参考端温度处理的方法有那几种?分别分析其原理。 14. 试比较热电偶、热电阻、热敏电阻三种热电式传感器的特点及其对测量线路的要求。 15. 什么叫集成温度传感器?各有什么特点? 16. 某热电偶灵敏度为0.04 mV，把它放在温度为l200处，若以指示表处温度50为冷端，试求热电势的大小? 17. 某热电偶的热电势在600.0时，E=5.257 mV，若冷端温度为0时，测某炉温输出热电势E=5.267 mV。试求该加热炉实际温度T是多少? 18. 已知铂电阻温度计，0时电阻为100，100时电阻为139，当它与某热介质接触时，电阻值增至281，试确定该介质温度。 19. 已知某负温度系数热敏电阻(NTC)的材料系数B值为2900 K，若0电阻值为500 k，试求100时电阻值? 20. 用分度号为K的镍铬一镍硅热电偶测温度，在未采用冷端温度补偿的情况下，仪表显示500，此时冷端为60。试问实际温度多少度?若热端温度不变，设法使冷端温度 保持在20，此时显示仪表指示多少度? 21. 什么是智能传感器?它应有哪些功能? 22. 实现智能传感器的途径有哪些? 23. 智能传感器由哪些部分构成? 24. 什么是模糊传感器?它有哪些功能? 25. 模糊传感器由哪些部分构成? 26. 什么是网络传感器? 27. 什么是虚拟传感器?